Modelowanie wieloskalowe i analiza wrażliwości obszarów słabych w chodnikach: studium przypadku kopalni węgla Xiaoyun

Dlaczego tunele w głębokich kopalniach są ważne

Daleko pod powierzchnią chodniki kopalniane muszą bezpiecznie przewozić ludzi, sprzęt i świeże powietrze przez skały ściskane olbrzymimi naprężeniami. Gdy fragmenty otaczających skał są słabsze lub niewystarczająco podparte, chodniki mogą się odkształcać, pękać, a nawet zawalić, zagrażając życiu i produkcji. W badaniu przeanalizowano jedno takie newralgiczne miejsce w chińskiej kopalni węgla oraz pokazano, jak połączenie modelowania komputerowego z pomiarami pod ziemią ujawnia, które rozwiązania wzmacniające mają największe znaczenie — i jak utrzymać stabilność głębokich chodników na dłuższą metę.

Ukryte słabe miejsca wokół chodnika

Autorzy koncentrują się na „strefach słabych” wokół chodnika — terminie górniczym określającym podziemne przejście — w których uszkodzenia zaczynają się najwcześniej, a odkształcenia rosną najszybciej. Te strefy słabe powstają tam, gdzie naturalne warstwy skalne, naprężenia od nadkładu i systemy podparcia nie współdziałają efektywnie. Zespół dzieli je na trzy praktyczne typy. Strefy strukturalne podążają za istniejącymi płaszczyznami w skale, takimi jak spąg i spękania, które mogą się ślizgać lub rozchodzić. Strefy związane z naprężeniami tworzą się tam, gdzie skała jest silnie ściskana, na przykład w narożnikach między ścianami a sklepieniem. Strefy niezgodności podpór występują tam, gdzie system podparcia jest zbyt rzadki lub zbyt miękki, pozwalając na wypuklenia lub rozdzielenia kieszeni skalnych między kotwami.

Od prostych modeli do szczegółowych symulacji

Aby zrozumieć, jak te strefy ulegają awarii, badacze najpierw stosują uproszczone modele mechaniczne dla sklepienia i ścian chodnika. Pokazują one, że na głębokości około 800 metrów w chodniku kopalni Xiaoyun sklepienie skalne jest rzeczywiście narażone na wyboczenie pod własnym ciężarem i dodatkowymi naprężeniami wywołanymi eksploatacją, a ściany mogą zacząć się ślizgać wzdłuż słabszych płaszczyzn nawet wtedy, gdy masyw skalny nie ulega rozkruszeniu. Na tej podstawie skonstruowali bardziej zaawansowany „wieloskalowy” model numeryczny otaczającej skały. Daleko od chodnika skała jest traktowana jako stosunkowo niezakłócony, sprężysty blok, podczas gdy w pobliżu przejścia model przybliża się drobniejszą siatką, by uchwycić inicjację pęknięć, odkształcenia plastyczne (trwałe) oraz rozwój stref uszkodzeń wokół wyrobiska.

Sprawdzanie, które parametry podpór mają największe znaczenie

Korzystając z tego wirtualnego modelu kopalni, zespół systematycznie zmienia pięć typowych parametrów podpór: rozstaw kotew, długość i średnicę kotew, liczbę kabli wzmacniających oraz rozstaw rzędów kabli. Ortogonalny plan eksperymentalny pozwala efektywnie przebadać wiele kombinacji, a narzędzia statystyczne — analiza zakresów i analiza wariancji — ujawniają, które parametry mają największy wpływ na ugięcie sklepienia i zbieżność ścian. Najważniejszym wynikiem jest dominacja rozstawu kotew. Zmniejszenie rozstawu zdecydowanie ogranicza rozwój plastycznej, uszkodzonej strefy w głąb skały, podczas gdy jedynie pogrubienie lub wydłużenie pojedynczych kotew daje stosunkowo niewielkie korzyści. Liczba długich kabli ma znaczenie, ale drugorzędne — głównie dla stabilności głębszego partii sklepienia.

Projektowanie mocniejszego, lecz praktycznego systemu podpór

W oparciu o te ustalenia autorzy zaprojektowali i zamodelowali trzy schematy podpór dla rzeczywistego chodnika. Schemat bazowy odzwierciedla pierwotny, umiarkowanie gęsty układ podpór stosowany w kopalni. Drugi schemat zmienia jedynie rozstaw kotew, zwiększając ich gęstość. Trzeci, „synergiczny” schemat łączy ciasno rozmieszczone, nieco ulepszone kotwy z większą liczbą głębszych kabli obejmujących cały przekrój tunelu. Symulacje pokazują, że choć gęstsze kotwienie samodzielnie pomaga, schemat łączony działa najlepiej: równomierniej rozkłada naprężenia, obniża maksymalne wartości naprężeń o około 14% i zmniejsza głębokość silnie uszkodzonej skały z około 2,5 metra do około 1,5 metra — redukcja rzędu 40%. W efekcie kotwy scalają płytką warstwę skały w zwartą powłokę, a kable zawieszają tę powłokę na mocniejszej, głębszej skale.

Dowód z pomiarów terenowych

Aby sprawdzić zgodność modelu z rzeczywistością, badacze zainstalowali instrumenty w chodniku kopalni, monitorując ruch sklepienia i zbieżność ścian przez miesiąc po wykonaniu wyrobiska. Zmierzone odkształcenia przebiegały w trzech etapach przewidywanych przez symulacje: szybka wczesna regulacja, wolniejsza faza przejściowa, gdy system podparcia w pełni zaczyna działać, oraz wreszcie faza stabilna, w której ruch praktycznie ustaje. Przy zoptymalizowanym wzmocnieniu końcowe obniżenie sklepienia ustabilizowało się na poziomie około 32 milimetrów, a zbieżność ścian na około 23 milimetry — wartości niewielkie jak na taką głębokość. Dane polowe i prognozy modelu wykazały dobrą zgodność, co sugeruje, że nowy projekt skutecznie ogranicza strefy słabe i zapewnia stabilne, długoterminowe przejście.

Co to oznacza dla bezpieczniejszej eksploatacji

Mówiąc wprost, badanie pokazuje, że w chodnikach w głębokich, miękkich skałach liczba kotew i ich rozstaw może mieć większe znaczenie niż rozmiar pojedynczej kotwy. Traktując skałę i system podpór jako jeden układ oraz wykorzystując modelowanie wieloskalowe wraz z monitoringiem polowym, autorzy przedstawiają praktyczną receptę: gęste, płytkie kotwienie tworzące ciągłą ochronną powłokę, wspierane przez mocne, głębokie kable. To połączenie nie tylko zwiększa bezpieczeństwo w badanym chodniku kopalni Xiaoyun, lecz także dostarcza ilościowego wskazania dla projektowania bardziej niezawodnych i opłacalnych systemów podpór w innych głębokich kopalniach o podobnych warunkach.

Cytowanie: Tian, Z., Ma, L., Liu, Y. et al. Multi-scale modeling and sensitivity analysis for weak roadway areas: A case study of Xiaoyun coal mine. Sci Rep 16, 11658 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-48033-0

Słowa kluczowe: chodnik głębokiej kopalni węgla, kotwy skalne, stabilność stref słabych, modelowanie numeryczne, kontrola masywu